《电子装备设计技术》课件第3章

第3章电子设备的接地、防雷与防静电技术3.1电子设备的接地技术3.2电子设备的防雷技术3.3电子设备的静电防护技术

3.1电子设备的接地技术

接地是电子设备和系统的重要组成部分，不仅直接影响着电子设备的质量和正常运行，还起到保护设备和人身安全的作用。

接地是电磁兼容性最重要的设计内容，对于抑制传导干扰具有明显的效果，且具有经济性好的优点。3.1.1接地系统的实现

电子设备的保护接地通常以大地的电位作为基准，以大地作为零电位。电路接地是电路系统中某一电位基准点，可以设该点电位为相对零电位，一般不是大地零电位。例如，电子电路往往以设备的金属底座、机架、机箱等作为零电位或称“地”电位，它们有时不一定和大地相连接，此时设备内部的“地”电位不一定与大地电位相同。但是为了防止雷击和电位差对设备及操作人员造成危险，通常应将设备的机架、机箱等金属结构与大地相连接。

1.电子设备接地的目的

线路接地是为了泄放电荷或建立电路基准电平而设置的导线连接。在电子设备中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要方法，金属结构体的接地也是屏蔽和安全性的设计内容，这些都对电子设备的电磁兼容性起着重要的作用。电子设备或系统接地的目的主要包括以下几个方面：

（1）提高电子设备电路系统工作的稳定性，有利于抑制干扰。

电子设备的地与大地连接，可以提高电子设备、电路系统工作的稳定性。

电子设备若不与大地连接，它相对于大地将呈现一定的电位，该电位会在外界干扰场的作用下变化，从而导致电路系统工作不稳定，如果将电子设备的地与大地相连接，使它处于真正的零电位，就能有效地抑制干扰。（2）接地可以泄放机箱上积累的电荷，避免电荷积累造成的干扰。

通过接地可以泄放由于静电感应在机箱和线路上积累的电荷，避免电荷积累形成的高压导致设备内部放电而造成的干扰和设备的损坏。电子设备机壳接地，能实现静电屏蔽和电磁屏蔽的目的。

（3）接地可以为电子设备和操作人员提供安全保障。

2.接地系统的组成

电子设备或系统的接地包括电路接地、保护接地、防雷接地等。

接地是电子设备中电路的组成部分，电子设备中各类电路均有电位基准，理想的接地系统中各部分的电位基准都应保持零电位。设备内所有的基准电位点连接在一起，构成设备内部的地线。

电子设备中电路的地线除了提供基准电位以外，在某一局部还可能作为各级电路之间信号传输的返回通路和各级电路的供电通路。在电子设备中，部件或装置内的地线兼作信号传输的回流线（包括印制板）；系统、分系统及设备间的地线仅提供电位基准电平，地线上不流通工作电流，其间的信号传输一律采用双线或双绞线。

电子设备的接地系统由地、接地体（或称接地电极）、接地引入线、地线盘（或称接地汇接排）、接地配线组成。其中地是指大地，具有导电的特性和无限大的容电量；接地体是使电流入地扩散而与地成电气接触的金属部件；接地引入线是接地电极连接到地线盘的导线；地线盘是专供接地引入线汇接连接的小型配电板或母线汇接排；接地配线是必须接地的各部分连接到地线盘或地线汇流排上去的导线。根据电子设备的使用场合不同，对接地的要求也不相同。陆用电子设备以大地（地球）作为“地”；水上用电子设备以舰船壳体作为“地”；飞行器上的电子设备以飞行器壳体作为“地”；悬浮地是以设备本身某一假定点作为“地”。

3.接地方法和装置

根据设备的使用环境和要求不同，接地连接方法和接地装置也不同。通常接地连接通过埋入地下的板、棒、管、线等导电体实现。

（1）埋设铜板。这种方法中通常用铜板或扁铜条围成框埋入地下，用多股铜线引出地面连接电子设备的地线。

（2）打入地桩。用包铜或电镀钢棒（钢管）打入地下2m作为接地地桩，可用多根地桩并联熔焊，并加入降阻剂，以减小接地电阻。（3）钻孔法。用钻机直接在地下打孔，深度为5～20m，孔径大约是6cm，埋入长度相当的接地棒。

（4）埋设导线。在地面挖一定深度（0.6～1m）和长度（几十米）的沟，在沟内埋入铜导线，并在导线周围加降阻剂。

（5）地下管道。城市中地下自来水管可作为简单方便的接地装置，但需以接地桩为主。通常很少使用。

4.电子设备的接地方式

在电子设备中有三种基本的接地方式：悬浮地、单点接地和多点接地。为了获得较好的接地效果，可以将三种接地方式混合使用。

1）悬浮地

悬浮地是指电子设备地线系统在电气上与壳体构件的接大地系统相互绝缘，这样构成接地系统上的电磁干扰就不会传导到设备上。另一种情况是在有些电子设备中，为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，有意使电路单元的信号地线与设备机箱绝缘，这种方式属于电路单元的悬浮地。悬浮地的设备容易出现静电积累，当电荷达到一定程度后，会产生静电放电。在雷电环境下，静电感应产生的高压会在设备机箱与内部其他部件间产生飞弧，甚至使操作人员遭到电击。另外，由于电子设备采用一般的电网供电，而电厂电网是以大地为接地基准的，当电网相线与浮地的机箱短路时，则可能有引起触电的危险，所以悬浮地这种接地方式不宜用于通信系统。为了消除静电放电和飞弧，特殊需要悬浮地的局部电路，其绝缘电阻应控制在100kΩ～100MΩ范围内，要求用绝缘支承架进行防潮处理，以保证绝缘电阻的稳定性；电源变压器的绝缘也应慎重考虑，一般初级和次级不缠绕在同一线包内。悬浮地的设备也容易受空间耦合（包括分布参数）的电磁干扰，因此敏感设备的悬浮地一般都应进行电磁屏蔽。

2）单点接地

将整个电路系统中某一结构点作为接地基准点，其他各单元的信号地都连接到这一点上，连接方式包括串联式单点接地和并联式单点接地。

串联式单点接地因各单元共用一条线，易引起公共地阻抗干扰。并联式单点接地的每个设备都有单独的地线连接到一个接地点，在低频时能有效地避免各单元间的地阻抗干扰。但在高频时，相邻地线间的耦合（电感性和电容性）增强，易造成各单元间的相互干扰,而且这种并联式接地的地线总数大大增加，会导致设备重量和体积增大,成本提高。

3）多点接地

多点接地是指设备或系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，使接地引线的长度最短。接地平面可以是设备的底板，也可以是电子设备的运载体。

多点接地和串联单点接地的区别是：串联式单点接地的公共引线是母线，而多点接地的公共引线是接地平面。

4）混合接地

为了抑制地线干扰，从工程实际的结构布局和降低高频辐射角度考虑，常常采用混合接地，包括两种混合法，即串联单点接地和并联单点接地混合，单点接地和多点接地混合。实际应用时，串联单点接地和并联单点接地的混合使用方法是采用编组方法，即根据设备的功率和运行电平进行编组。把低功率和敏感设备编为一组，一般电子设备编为一组，高功率大电流、高电压以及有较大干扰电平的设备（例如电动机）编为一组，各组内实施串联单点接地，各组间实施并联单点接地，并且考虑到有较多接口连接的设备编在同组内。同组内各设备的公共接地点应靠近低功率设备端，使低功率设备接地端有更小的接地干扰电压。悬浮地主要用于特殊场合，多点接地容易产生复杂的或者过多的地环路，容易产生地线干扰。在高频情况下，多点接地线长度较短、高频辐射减少，在高于30MHz的线路中常用多点接地。单点接地使地环路简化，减小了地线干扰，在地线中总有一定的杂散电流，由于地线有较小的阻抗，造成地线上杂散干扰电压降处处不相同，因此串联式单点接地会有更多杂散干扰。工程实施常常采用混合接地。3.1.2克服地线干扰的主要方法

1.地线干扰分析

理想地线是一个零阻抗、零电位的物理实体，但在具体电子设备内部，任何地线都既有电阻又有电抗，当有电流通过时，地线上必然产生压降；同时地线还可能与其他线路形成环路，在地线中产生感应电势，两者都可能使电路单元产生干扰。

因此，地线干扰的分类包括地阻抗干扰和地环路干扰。在电磁干扰的分析中，可把传导途径分为电阻传输、电感传输和电容传输。传导干扰的传输，通常在干扰源和接受器之间要求有完整的电路连接，可包括导线、供电电源、公共阻抗、设备机架、金属支架、接地平面、互感或电容等。

地线引起的干扰是很复杂的，为了分析方便，可将干扰（包括地线干扰）分成两个分量，即两根导线间所产生的线间分量，以及与大地间所产生的对地分量，从而对导线上的传输特性进行探讨。两者之间传输回路的阻抗特性不同，线间电压和两导线间负载所构成的回路属于线间回路；每根导线对地电压以及对地阻抗所构成的回路属于对地回路。

对地电压是指共模干扰电压与大地电位差之和，线间电压则是传输信号与差模干扰电压之和。综上分析可得：共模干扰出现在信号线上，使两条信号线同时受到同向变化的干扰，如果不考虑大地电压差，共模干扰就是线地间的干扰。差模干扰是通过磁场耦合到信号线中，并与信号电压串联的干扰，差模干扰实际上就是线间干扰。

不同的干扰电压对电子设备的影响不同，差模干扰电压与传输信号电压是串联的，对电子设备的影响是直接的。共模干扰电压不是串联在信号电压上，对电子设备的影响是间接的，这与电路布线及输入、输出负载的对称要求有关。地线上的共模干扰比较特殊，一般指电子设备的接地端子上对地杂散电流所产生的压降，以及接地平面上不同接地点之间的电位差，它也是串联在信号回路中，对较小的设备而言，可忽略不计，但对配置较远的两个电子设备，因为接地平面较大或大地电解质不同而造成的接地桩电势差异，对电子设备的干扰就必须考虑，并采取相应的措施加以抑制。对地杂散电流所产生的压降干扰转换系数与地线的对称性和杂散电流的差异有关，干扰转换系数变化较大，但均小于1。现在有些标准已经有了地线注入电流测试项目，其目的就是检查地线系统的抗干扰能力。

2.克服差模干扰的有效方法

电子设备中的地线分布以及设备内部的各级电路单元都难免与其他线路构成环路，如在不对称信号传输电路中，地线与信号线可构成环路；地线本身也可能构成地环路。当某一交变磁场与这些环路交链时，环路中产生的感应电势就是差模干扰。

地环路中的感应电势与传输信号电压串联或者耦合，输送到下一级电路的输入端，从而构成干扰。要减小地环路干扰，就要减小地环路面积，最好在线路布局时避免构成地环路。切断地环路最有效的方法是实施单点接地。从电磁兼容设计技术考虑，实施单点接地是重要的技术措施。

3.克服共模干扰的主要方法

1）减小接地电阻

从接地极的组成分析，接地电阻是由以下三个因素构成的:接地极本身和接地导线的电阻；接地极表面同相接土壤之间的接触电阻；接地极流出的电流，其扩散过程的电阻。其中接地极本身的电阻实际就是导体电阻，与其他两个因素相比，其阻值非常低，因此一般情况下可忽略不计，当瞬时大电流通过时，若导体过细，电流容量不够，可能引起导线熔断，结果反而呈现高阻值现象。接地极表面的接触电阻，其机理较复杂，只能对有关重要问题加以定性说明。接地极和土壤之间是面接触，但实际上是凹凸的接地极表面和土壤颗粒之间点接触的集合，两者之间除有电阻外，还存在着静电电容，而且电阻中又存在着异种物质之间的接触，因此它也具有非线性。其中影响接触电阻的最大因素，是土壤颗粒受压力情况，在刚埋设的接地极周围，土壤处于松软状态，致使接地极的整个表面不能和土壤均匀接触，因此形成较大的接地电阻。随着时间的推移，通过雨水和地下水的渗透，震动以及踩实等过程，接地状态逐渐改变，土的压力趋于均匀。如果不进行压实处理，接地电阻是随施工后的时间而变化的，一般大约需要三个月，有时甚至需要六个月以上才可基本达到稳定值。此外，接地极的表面导电是通过固体和流体介质进行的，如存在容易被电离的土壤颗粒，则易产生电离移动，若接地极和土壤之间的离子交换激烈，接地极受电腐蚀的现象也严重，结果使接地极的表面形状不断地产生变化，也将影响接地电阻。

在可能的条件下，接地电阻越小越好，但这将引起成本的提高，因此既要考虑实际效果，又要考虑经济性。近年倾向于采取更合理的接地线布设方法，而不追求过小的接地电阻。

2）减小地线分布电感

地线的自感与材料的相对磁导率有关，选用铁质材料会使接地线的自感大大增加，通常选用的是铜质材料。同时地线的几何形状也会影响自感，工程实际中大多数都是采用矩形截面导体，即宽铜带或宽铜片。扁矩形截面地线的自感比同一截面积的圆导线的自感要小。

3）减小电子设备对地的分布电容

减小分布电容可以减小地线干扰。要减小电子设备对地的分布电容，就要增加电子设备对地的距离。3.1.3接地电位差干扰的抑制方法

接地平面上两接地点之间存在电位差，它串联在信号回路中，将对电子设备产生干扰。接地平面电位差产生的原因较为复杂，主要有两种：一种是接地桩插入土壤，不同地点的土壤构成不同，它所产生的电解电位不一样，或者不同金属搭接时，因化学电动势不同而产生电位差，这种电位差多数是直流的，由于它的存在，将对信号传输电平产生干扰；另一种电位差发生在运载体上，由于电磁感应等交流信号作用，飞机壳体、舰船甲板上各接地点电位不等，通过接地引入了接地干扰，这种电位差是交流信号干扰。在接地系统设计时应采取有效措施加以抑制，主要包括以下几种方法：（1）设置专用低阻抗接地系统。

在某些舰船上设置计算机接地系统主电缆和分电缆，主电缆截面积达上百平方毫米，分电缆也应在25mm2左右。接地系统与舰船仅单点接地，电缆其余部分与舰船绝缘。接地点在设备布局的中心或靠近主计算机布设。陆地上布设计算机设备，在几十米距离范围内也可设置专用接地系统，并实施单点接地。（2）应用隔离变压器。

两个电路之间可采用隔离变压器阻隔地环路。

变压器只能传输交流信号，不能用于直流信号的传输，它对地线中的低频干扰具有较好的抑制能力。此外，由于电路单元间传输的信号电流只在变压器绕组连线中流过，不流经地线，因此也可避免对其他电路的干扰。（3）光耦合隔离。

切断两个电路单元间地环路的有效方法之一是在两电路之间采用光耦合器，当信号电流通过发光二极管后，发光二极管的发光强弱随通过的电流而变化，这样就将信号电流变成强弱不同的光信号。再由光电三极管将强弱不同的光信号转化成相应的电流，从而实现了电路间的信号传输。通常将发光二极管和光电三极管封装在一起，构成一个光耦合器，这种光耦合器可将两电路间的地环路完全隔断，有效地抑制地线干扰。

由于光耦合器电流与发光强度的线性关系较差，传输模拟信号时会产生较大的失真，因此应用受到了限制。但它对数字信号传输非常适用，如在固态继电器中隔离控制信号的干扰。所以，光耦合器一般用于数字电路隔离，模拟量隔离效果也较好，但成本较高。（4）用光纤电缆传输信号。

光缆是一种性能优越的新型信号传输器材，随着光纤技术的发展，用光缆传输信号可以成功地用于电子设备中。用光缆代替电子系统内设备间的普通连接线（信号线缆），可完全避免连接线外部的电磁干扰和电磁脉冲的影响，同时可提供良好的电气隔离，并能保证传输数据的保密和安全。3.1.4安全接地

电子设备的安全性设计是工程设计的重要内容，其中安全接地设计至关重要。

1.电子设备设置安全地线的作用

（1）绝缘破坏时，能起保护作用。

在交流电网供电的电子设备中，如果机箱不接大地，一旦电源与设备机箱间的绝缘被破坏，或电源变压器的初级绕组与铁芯间的绝缘被击穿，设备的机箱就会带有电网电压，操作人员碰上机箱可能发生人身事故。

（2）防止设备感应带电而造成电击。

（3）防止雷击事故。电子设备受雷击可分两种情况，即直接雷击和感应雷击。电子设备遭到直接雷击时，由于雷电的放电电流极大，可在一瞬间将电子设备或其他设备完全烧毁。防止直接雷击的办法是采用避雷针，避雷针应具有良好的接地装置，当雷云接近电子设备时，只要避雷针的尖端电场达到一定程度，雷云就经避雷针对地放电。

若电子设备为悬浮的不接地系统，雷云接近设备上空时可以在设备中感应产生大量电荷。当雷云通过其他物体放电后，在电子设备上感应的电荷可能对地或对其他设备形成放电，这将导致电子设备出现故障或损坏。设备接地可避免这种感应雷击，接地后，电子设备机箱上感应的电荷将随之流入大地，不会因电荷大量积聚而产生高压。

2.安全电流和安全电压

电子设备的机箱带有上述电压后，对操作和维修人员将构成严重的威胁。一般人体能感觉到刺激的电流值大约是1mA。当人体通过5～20mA时，肌肉就产生收缩现象，使人体不能自离电线。通过人体的电流达数十毫安以上时，将使心肌丧失扩张和收缩能力，直至死亡。人体对通过电流的反应不但随性别而异，而且与电流频率也有关系。

当设备机箱或按键上的电压超过规定的电压后，就有触电的危险。为了保证操作和维修人员的安全，应将设备的机箱或底座等金属件与大地连接。如果机箱已接大地，在电源线和变压器等绝缘一旦被击穿时，电源线中通过的大电流首先将保险丝过荷熔断或使断路器跳闸，进而使设备和机箱与电网脱离。3.1.5接地系统设计

1.接地系统设计要求

在接地系统设计中，强电专业和弱电专业存在很大差异，跨专业设计的技术协调十分困难，强电更强调安全性，弱电注重于系统抗干扰能力。为了协调跨专业不同的技术要求，既要考虑采用接地系统及隔离技术，又要考虑电子设备接地系统抑制干扰的能力，要处理好两者的关系。电子设备接地系统设计还需考虑两个问题。

（1）地线上不应流通工作电流。

若将地线作为回流线使用，就会使地线上电平处处不相等，从而对电路产生影响。设计时要求地线和回流线分开，地线上不流通工作电流，但地线上存在杂散电流。为了避免杂散电流压降对电路的影响，地线的截面积都应比回流线截面积大，这些在系统地线设计时必须加以考虑。

为简化线路，印制板上和部件之间连接导线长度都比较短，因此在印制板上和部件上地线和回流线是合并的，此时回流线某一点要求接地，回流线也是地线。除此之外，各分系统和系统之间的地线应独立设置，不当作回流线使用。（2）机壳不流通工作电流，不允许机壳作为电路组成部分。

机壳一般是良导体，但机壳活动连接处是不可靠接地，传导电流时往往在连接处产生压降，这是电路不允许的。另外，机壳传导电流，使机壳上处处不等电位，很容易将电位差引入电路，造成干扰。为了避免机壳对电路的影响，机壳既不应作为电路组成部分，又不能作为地线使用，一般地线在机壳内布线时，只允许一点与机壳相连，特殊要求的电路与机壳是绝缘的。机壳接地仅作为安全接地，泄放静电感应电荷。

2.接地线截面积选择

分系统和系统的地线不流通工作电流，但在工程实施过程中，接地线截面积远大于机内其他连线，主要原因如下：

（1）地线作为安全保证措施，当设备某一元器件或部件损坏造成短路时，地线上应有足够小的短路压降，这要求地线截面积足够大。

（2）如果设计考虑不周，误把分系统和系统地线作为电路回流线使用，尽管这是不允许的，但一旦出现差错，从安全考虑，地线应该能承受回流线电流。（3）杂散电流的传导。例如一般同轴电缆，在传输很低频率的信号时，其屏蔽层不是回流线，地线是作为主要回流线使用的，这些杂散电流一般都较小，但由于杂散电流的压降容易引起传导干扰，设计时选取较大截面积的地线是很必要的。

3.复杂电子设备的接地

复杂电子设备中往往包含有多种电子线路和各种电机、电气部件，这时地线应分组敷设，一般分为信号地线（高电平和低电平）、噪声地线和金属件地线（安全地）等，通常称之为“四套接地法”或“三套接地法”。

电子设备按其电路的电气特性分别铺设地线，是解决地线干扰问题行之有效的方法。大型复杂电子设备地线系统的设计可按下述步骤进行：（1）分析设备内各类电子、电气部分器件的干扰特性。

（2）分析设备内包含的各电路单元的工作电平、信号种类（模拟信号、数字信号）和抗干扰能力。

（3）根据电子和电气干扰特性和电路特性进行地线组的分类划分。

（4）分类排出地线系统图，并考虑在电子机柜内的布局。

每个机箱与机架之间仅有一点相连接，整个设备内各类地线汇集于一点接地。

4.供电接地、电子设备接地、避雷接地的相互关系

为防止电子设备机箱带电或免遭感应雷击，在进行电子设备机箱结构设计时，必须在机箱上设置接地端子，并用地线与接地桩连接。机箱机壳一般都与电子设备地线连接，供电配电箱都应接地，并与供电系统的中线连接。中线接地称做供电系统的零线，零线接地与电子设备接地有很大差别，其中由于三相不对称，中线有较大电流时出现零线电压，一般都有3V左右，严重时可超过10V，零线电压对地线可能造成较大干扰。如果这些干扰危及设备正常工作，配电盘可按电工技术要求装配，但配电盘上的零线应实现单独接地。在一些干扰不敏感场合，设备供电系统接地可与电子设备接地合并，但这种连接点又有一定规定：供电系统接地与设备接地点连接仅为一点，不是安全性设计的多点重复接地；接地连接点的选择应靠近电子设备或系统中心。

避雷接地应按雷电种类不同分别考虑，由于感应雷电流较小（10～50kA），能量不大，防感应雷的避雷器都通过机壳接地，而采用避雷针防直击雷，雷电流可达100～200kA，因此避雷针的接地就十分重要。对于有些一般性民用设施，避雷针接地与供电系统接地合并，极端的例子是避雷针、供电系统、电子设备使用公共接地点。而对一些敏感的电子设备，为了避免受雷击时产生传导干扰的影响，避雷针接地应独立设置，并且避雷接地桩离电子设备接地桩的距离应大于20m，这主要是防止在电子设备上出现雷电反击现象。3.1.6搭接

搭接是将设备、组件、元件的金属外壳或构架用机械手段连接在一起，形成一个电气上连续的整体。这样可以避免在不同金属外壳或构架之间出现电位差，这些电位差往往是产生电磁干扰的原因之一。

搭接可用于各设备的金属机箱之间、设备的机箱到接地平面、信号回线到地线、电缆屏蔽层到地线之间，也可用于接地平面与连接大地的地网或地桩之间，以及屏蔽体与大地之间。

搭接是电子设备在雷电防护、静电泄放、人员安全保护等方面必不可少的措施。

1.搭接的类型

搭接包括直接搭接与间接搭接两种基本类型。

直接搭接无需用中间过渡导体，直接将两个需要搭接的金属构件连接在一起。搭接方法可以利用螺钉紧固装置，将经过加工的表面或带有导电衬垫的表面进行固定，也可利用铆接、熔焊、钎焊等工艺将搭接对象连接。间接搭接是借助中间过渡导体（搭接条或搭接片）将两金属构件进行电气上的连接，其性能不如直接搭接好。搭接片的固定方法包括螺栓、铆钉、熔焊、钎焊等。搭接片通常采用铜或铝。由于搭接条连接的两种不同金属间会产生电化腐蚀作用，所以搭接条材料的电极电位应与被搭接金属的电极电位相近。当两者电极电位相差很大时，可将搭接条选用合适的电镀层来弥补。

2.搭接面的处理

无论是直接搭接还是间接搭接，对搭接表面都应进行必要的处理，接触面上的油漆氧化层、阳极氧化膜和灰尘油污等均应仔细清除干净，清除面积要比实际接触面大0.5～1倍，清除后要及时安装，保留在空气中的时间不允许超过有关规定。搭接条紧固后重新油漆时，应防止油漆渗入接触表面内。

3.搭接技术的一般原则

（1）搭接质量良好的关键在于金属表面之间紧密接触，搭接表面的接触区应光滑、清洁，没有非导电物质。紧固方法应保证有足够的压力将搭接处压紧，保证在受到冲击振动和扭曲时表面仍然接触良好。

（2）对有较大相对运动的搭接对象，搭接条要有一定的抗振性能和较大的挠度，以延长其工作寿命。（3）要保证搭接处或搭接片能够承受可能出现的最大电流，以避免搭接条过载熔断而造成更大的危害。

（4）搭接条和搭接金属间应考虑电化学腐蚀的防护，应衬入相应的垫圈。搭接处应采用防潮和防其他腐蚀的保护措施，以确保搭接的电气稳定性。

（5）搭接条应尽量短、宽（粗）、直，以保证搭接的低电阻和小电感。

3.2电子设备的防雷技术

虽然大多数电子设备都在建筑物内使用，但对于电力系统、通信系统以及计算机网络等系统，它们包括户外架空输电线、通信电缆或光纤，为了保护这些系统中的电子设备免遭雷击，必然要在电子设备的电路中采取防雷措施，同时也涉及建筑物的防雷工程问题。

雷电的危害众所周知，雷电一旦传入电子设备或人体，将在瞬间造成电子设备的损坏和系统的瘫痪，给人们生命安全和财产造成严重的损失。因此必须对雷电进行综合治理，整体防御，采取疏导、隔离、均压等措施，根据特定保护空间的实际情况，通过由相应的防雷器件构成的防雷工程网络来治理雷电灾害。由电子避雷器、接闪器、接地装置等构成的工程网络称为防雷系统工程。实现防雷系统工程必须根据具体情况，因地制宜，综合分析，全面考虑，将内、外部防雷措施的众多因素，包括接闪、分流、均压、屏蔽、接地布线、过压保护等作为一个整体来统一考虑。3.2.1雷电活动规律

1.雷电分布的一般规律

在不同的地区、不同的气候环境下，雷电的分布规律也不同。

热而潮湿的地区比冷而干燥的地区雷暴多。

从纬度看，雷暴的频数总是由北向南增加，到赤道最高。在我国递减顺序大致是，华南、西南、长江流域、华北、东北、西北。电力线路的雷害统计递减顺序是华东、中南、东北。从地域看，雷暴的频数是山区大于平原，平原大于沙漠，陆地大于湖海。据统计，在中南、华东观测，落雷密度是：山区0.02次/千米、平原0.01次/千米。在广东观测，雷电流幅值超过200kA的占2%，超过40kA占50%。

从时间看，雷暴高峰月都在7、8月份，活动时间大都在14～22时，各地区雷暴的极大值和极小值都出现在相同的月份。

2.容易落雷的条件

一个地区有无雷暴，是由该地区的气象条件决定的。但有了雷暴，具体会在哪一处落雷，则受外界条件影响。

从地质方面考虑：土壤电阻率相对值小时，有利于电荷的很快积聚。大片土壤电阻率较大时，局部小的地方容易落雷；土壤电阻率突变的地方，最易受雷击。如岩石与土壤、山坡与稻田的交界面；岩石与土壤电阻率较大的山坡，雷击点多发生在山脚，山腰次之；土山或土壤电阻率较小的山坡，雷击多发生在山顶，山腰次之；地下埋有导电矿藏（金属矿、盐矿）的地区容易落雷；地下水位高，矿泉、小河沟、地下水出口处容易落雷。从地形方面考虑：要利于雷雨云的形成与相遇。落雷几率的分布是，山的东坡、南坡多于山的北坡、西坡，这是因为海洋潮湿空气从东南进入大陆后，经暴晒闷热，遇山抬升而出现雷雨；山中平地的落雷几率大于峡谷，这是因为峡谷较窄，不易日晒和对流，缺乏形成雷暴的条件；湖旁、海边落雷几率较少，但海滨如有山丘，则靠海一面山坡落雷几率较多；雷暴走廊与风向一致，风口或顺风的河谷容易落雷。从地物方面考虑：要利于雷雨云与大地建立良好的放电通道。空旷地中的孤立建筑物，建筑群中的高耸建筑物易受雷击；排出导电尘埃的厂房及废气管道容易落雷；屋顶为金属结构、地下埋有大量金属管道、内部存放大型金属设备的厂房易受雷击；建筑物中，个别特别潮湿的建筑，如牛马棚、冰库等易遭雷击；尖屋顶及高耸建筑物易受雷击，如水塔、烟囱、天窗、旗杆、消防梯等；屋旁大树、接收天线、山区输电线易受雷击。

分析雷击的可能性一定不能从单一因素考虑，应对周围环境做全面的、综合的分析。

3.建筑物易受雷击的部位

不同屋顶坡度的建筑物受雷击的部位不同,通常屋角与檐角的雷击几率最高。屋顶的坡度越大，屋脊的雷击几率也越大，当坡度大于40°时，屋檐一般不会再受雷击；当屋面坡度小于27°，宽度小于30米时，雷击点多发生在山墙，而屋脊、屋檐一般不再遭受雷击；雷击屋面的几率很小。

设计时，对易受雷击的部位应进行重点保护。

4.判断第三类建筑物是否防雷的基本原则

建筑物按其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果的重轻程度，依次分为三类。第三类建筑物的房屋受直接雷击的很少，感应雷引起雷击的却占很大比重。设计时应加强防止高电位引入，特别是现代信息设备耐雷电电磁脉冲的过电压能力极差，是现代防雷的重点，可以少考虑防止直击雷。第三类建筑物是否装置防雷设施，要从必要性和经济性来综合考虑。防雷装置不宜过多，判断的基本原则是：运用雷击规律对环境作全面综合的分析，了解本地的雷击事例、地点和统计资料；应考虑建筑物的重要性，掌握合理的标准；考虑防止直击雷时，可查阅雷电日和建筑高度的参考值。3.2.2雷电破坏作用的机理

雷电的破坏性作用很强，主要是因为它把雷雨云蕴藏的能量在短短几十微秒的时间内释放出来，瞬间功率极其巨大。

1.雷电流热效应的破坏作用

根据焦耳定律，一次闪击的雷电流发出的热量为（3.1）式中：Q为发热量，单位为J；i为雷电流，单位为A；R为雷电流通道的电阻，单位为Ω；t为雷电流持续的时间，单位为s。如果雷电击在树木或建筑物构件上，由于雷电流很大，通过的时间极短，被雷击的物体瞬间将产生巨大热量，又来不及散发，以致物体内部的水分大量变成蒸汽，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏。如果金属体的截面积不够大，当雷电流通过金属体时，甚至可使其熔化，因为通道的温度可高达6000～10000℃，甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质可能会引起火灾。

2.雷电流冲击波的破坏作用

雷电通道的温度高达几千度甚至几万度，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，其外围附近的空气被强烈压缩，形成“激波”。被压缩空气层的外界称为“激波波前”。“激波波前”到达的地方，空气的密度、压力和温度都会突然增加。“激波波前”过去后，该区压力下降，直到低于大气压力。这种“激波”在空气中传播，会使其附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。另一种冲击形式是次声波。庞大体积的积雨云因迅速放电而突然收缩，当电应力（典型值为100V/cm）突然解除时，一部分带电积雨云中的流体压力将减小到0.3mm汞柱的程度，这样形成稀疏区和压缩区，它们以零点几赫兹到几赫兹的频率向外传播，这就形成了次声波。次声波对人、畜都有伤害作用。

3.雷电流电动力效应的破坏作用

根据安培定律，当A、B平行导体上分别通以电流i1、i2（kA），A、B的距离为d（m）时，每米导线所受的作用力按下式计算：（3.2）式中，平行导体的长度l0为1m。雷击时，由于电动力的作用，也有可能使导线折断。

同样，对拐弯的导体或金属构件，在拐弯部分也将受到电动力的作用，它们之间的夹角越小，受到的电动力越大。当拐弯的夹角为锐角时，受到的作用力最大，而为钝角时受到的作用力较小。所以接闪器及其引下线不应出现锐角的拐弯，在不得已采用直角拐弯时应加强构件的强度。

4.雷电的静电感应和电磁感应的破坏作用

1）静电感应

当空间有带电的积雨云出现时，积雨云下的地面和建筑物等由于静电感应的作用都带上相反的电荷。从积雨云的出现到发生雷击（主放电）所需要的时间比主放电过程的时间长得多，大地可以有充分的时间积累大量电荷。当闪击与地面的异种电荷迅速中和后，某些局部，例如架空导线上的感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短的时间内相应消失，这样就会形成局部地区感应高电压,这种电压从雷击开始随时间的推移而下降，它符合RC电路放电的规律。这样形成的局部地区感应高电压在高压架空线路可达300～400kV，一般低压架空线路可达100kV。电信线路可达40～60kV，建筑物也可以产生相当高的有危险的电压。这种由静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有破坏作用，对建筑物内部的金属构架与接地不良的金属器件之间容易产生火花，对存放易燃物品的建筑物，如汽油、瓦斯、火药库以及有大量可燃性微粒飞扬的场所有引起爆炸的危险。

2）电磁感应

由于雷电流有极大的峰值和陡度，在它周围的空间有变化的强大电磁场，处在此电磁场中的导体会感应出较大的电动势。如果在雷电流引下线附近放置一个开口金属环，环上的感应电势足以使开口气隙间产生火花，这些火花可以引起易燃物品着火和易燃气体爆炸。如果回路中有导体接触不良，也会使回路过热，引起易燃物品燃烧，酿成火灾。

5.雷电反击和引入高电位

雷电反击通常是指接受直击雷的金属体（包括接闪器、接地引线和接地体），在接闪瞬间与大地间存在很高的电压。这一电压对与大地连接的其他金属物品发生闪击（又叫闪络）的现象称为反击。此外，当雷击到树上时，树木上的高电压与它附近的房屋、金属物品之间也会发生反击。

为了防止反击的发生，一般应使防雷装置与建筑物金属体间隔一定距离，使它们之间间隙的闪击电压大于反击电压。

雷电引入高电位是指直击雷或感应雷从输电线、通信电缆、天线等金属的引入线引入到建筑物内发生闪击而造成的雷击事故。高电位输入造成的雷击事故占雷击事故的大多数，因此，凡是用上述装置的地方都必须对高电位输入加以防备。

6.雷电对人身的伤害

如果人直接被雷击中，必然或至少在开始时，身体通过了全部雷电流，这种形式称为直接雷击。

如果有人在被直击雷击中的物体近旁，就有可能发生下列三种形式的雷击。

（1）接触电压。当闪电电流流经建筑物的避雷针引下线、各种金属管道、电线杆或大树入地时，由于雷电流峰值很大，这些被直击雷击中的导体上便产生高达几万伏，甚至几十万伏的电压。如果正好有人或畜接触它们，就会发生触电事故，这一对地电位差叫接触电压。（2）闪击或侧闪。当人站在距被雷击中的物体很近时，一旦人、物之间的空气间隙被击穿，就会对人体放电，这种放电叫闪击。

如果人躲在一棵大树下避雨，当这棵树被雷击时，从地面到人头顶这段高度的树杆，它的电阻约有几千欧，雷电流在这段树杆上产生的电压降，瞬间可达几万甚至几十万伏以上，这时避雨人的身体与地等电位，人头顶与等高度的树杆之间的电位差超过空气的击穿强度时，雷电流通过这段空气间隙向人体放电，人将被雷击。（3）跨步电压。当雷电击中地面物体时，雷电流泄入大地并在土壤中散流开，由于土壤电阻率有一定分布，雷电流在地面上各点就出现电位降，越靠近雷击点，电流密度越大，电位降也就越大。如果有人在落雷点附近站立或行走，在两脚间的电位降就足以使雷电流通过两腿和躯干的下部，人就会被雷电击伤，这一电位降叫跨步电压。3.2.3雷电电磁脉冲及其防护

1.雷电电磁脉冲的物理现象和物理特性

1）雷电物理现象

从积雨云的密布到发生闪电会出现三种物理现象：

（1）云中静止电荷产生的静电场，产生静电感应现象，地面及各种导体会产生感应电荷，呈现静电场的作用，这种作用随着距离的增大而迅速减小，与距离的三次方成反比。（2）积雨云中电荷的移动（包括闪电）会产生磁场，若磁场强度发生变化就会出现电磁感应现象，这就是感应场产生的作用。这种作用随着距离的增大而减小较快，与距离的平方成反比。

（3）闪电发生时，会出现电磁波辐射。这种辐射场也随距离增大而减小，但比较缓慢，它与距离的一次方成反比。

2）雷电物理特性

除了注意上述三种物理现象，更应密切注意雷电流的变化特性，因为雷电的破坏作用与雷电流的峰值和波形密切相关。现代防雷装置正是根据雷电流的物理特性设计的，其主要的物理特性如下：

（1）峰值电流决定闪电的机械力和电力的作用大小以及雷灾的危害程度。

（2）到达峰值的时间，数值愈小，冲击力愈大，在选用防雷元器件时应考虑响应速度。（3）最大电流变化率决定了闪电的电磁感应强弱，是电子设备防雷技术中应特别重视的参量，因为电子设备防雷技术中主要是对感应雷的防护。

（4）半峰值时间或到达波尾中间的时间，是指回击电流减小到峰值一半时的时间，这个时间越长，热效应越大，容易造成元器件的损坏，也容易引起火灾。超过100μs就属于热闪电。

2.雷电电磁脉冲的频谱分析

雷电电磁脉冲的频谱是研究避雷的重要依据，从频谱结构可以获得雷电电磁脉冲电压、电流的能量在各频段的分布。根据这些资料可以估算通信设备或系统在其频率范围内可能遭受到的雷电冲击的幅度和能量大小，并以此作为确定避雷措施的参数。

1）雷电流峰值比率的频率分析

雷电流峰值比率的频率分布是指在雷电流的频谱范围内，每一个频率的电流峰值与雷电流峰值之比的频率分布。雷电流主要分布在低频部分，随频率升高迅速递减。电波的波头越陡，高次谐波越丰富，波尾越长，低频部分越丰富。

2）电流峰值比率积累的频率分布

雷电流的破坏作用主要表现在对设备的过电压击穿和冲击能量过大的热击穿。

研究雷电过电压比率集中的频段，一旦设备对大地的阻抗测知后，便可转变为通过研究雷电流峰值比率集中的频段来获得。

通过研究可见，波头越陡，受雷电影响的频率范围越宽。

3）雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布

若负载为纯电阻，那么在同一负载上，功率只与通过它的电流平方成正比。

雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布表明，低频部分增值快，频率越高增值越慢。

90%以上的雷电能量都分布在十几千赫兹以内，因此对于通信网路，只要防止十几千赫兹以内的雷电电磁脉冲侵入，就可以把雷电电磁脉冲的90%能量抑制，即可以采用高通滤波器来实现。

3.雷电电磁脉冲的传播途径

雷电电磁脉冲传播的途径主要为传导和辐射两大类。

1）传导耦合

（1）阻抗耦合。

当雷电流流经接地引下体时，因为引下体和接地线的装置都具有电阻和电感，所以高幅值和快速变化的雷电流将在引下体上产生很高的电位降，可用下式表达：（3.3）

式中：R为引下体和接地体的电阻；L为引下体的电感；i为雷电流幅值；为雷电流的时间变化率。（2）静电感应耦合。

在雷电开始瞬间，由于静电场作用，在输电线和各类信号线上感应带电，感应电荷迅速聚集到先导通道附近。在先导放电通道附近的各类金属物体上也因静电场作用而感应带电。主放电开始后，由于主放电发展速度很快，在主放电通道中正负电荷剧烈中和，附近金属物上的感应电荷不能以相应的速度流散，于是也将产生很高的静电感应电压。

导线上的感应电荷向两端流散，形成感应过电压波，沿着输电线、信号线窜入配电设备和信号线终端设备，造成设备和系统的损坏。（3）电磁感应耦合。

闪电放电时，由于闪电电流有很大的峰值和变化率，即陡度很大，在放电通道周围将激发强磁场和感应电场，使回路中产生感应电压和感应电流。如果导体有开口或间隙，此处产生的感应电压足以使空气击穿放电，金属物体上产生的感应电流会使物体局部发热。为了消除或减小感应电压，应该将建筑物内相互靠近的金属物体进行良好的等电位连接。

由电磁感应引起的电压极易超过电子设备内的集成电路等元器件所允许的极限值。（4）电容耦合产生的电压。

闪电放电之前，积雨云附近的地面物体所感应的电荷增加速度较慢，接地导体上的电位变化不明显。当闪电击中地面物时，接地物体上的电荷将重新分布，这将导致电流的流动，在接地物体的电阻两端产生电压降。这样在接地良好的物体上由电容感应产生的电压就会很小，否则就应考虑它造成的影响。因此，在易燃物储存场所内，不允许长时间放置不接地的金属物和导线。

2）辐射耦合

辐射耦合是指雷电电磁脉冲干扰能量以电磁场的形式通过空间耦合到接收器上。辐射的耦合方式主要包括空间电磁波至接收天线的耦合、空间电磁波对电缆的耦合、电缆对电缆的耦合等。

闪电放电时，先导放电阶段将出现高频和甚高频的电磁辐射，而向上迎面留注过程，甚低频辐射大大增加。所有这些辐射能量，有可能耦合到各类有大量集成电路的电气和电子设备内，当设备用长电缆远距离传输时，辐射将造成与其他回路系统内的耦合。因此对这类设备的屏蔽、接地等防雷措施尤为重要。

4.雷电电磁脉冲（LEMP）的防护

雷电是自然界中强大脉冲能量的放电过程，是最强大的干扰源，其传播途径包括传导和辐射方式或两者的组合。

根据雷电对地面电子设备和系统的危害方式不同，对雷电电磁脉冲可以采用不同的防护措施。

1）接闪

在防雷处理过程中，首先要设法拦截雷电或吸引闪电，这个装置就是避雷针。避雷针其实是避雷装置的接闪器。避雷装置由接闪器、引下线和接地体三部分组成，通常把整个避雷装置称做避雷针。避雷针和由它发展的避雷带和笼式避雷网已成为规范化的、国内外普遍采用的主要防雷手段。避雷针拦截或吸引雷电的过程是：当“梯级先导”接近大地时，地表上空电场强度大增，地面突出物的上端附近达到空气临界击穿场强所产生的“向上迎面流注”，并趋向于与“下行先导”汇合。避雷装置的接闪器高耸于被保护建筑物之上，将产生最强的向上迎面放电，最先与“先导流注”通道汇合，从而形成主放电，因此它“捕获”了雷电。雷电流通过引下线和接地体安全地泄入大地。

2）屏蔽

屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段。屏蔽的目的是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，以及防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。通常采用金属材料作为屏蔽材料，按屏蔽的要求不同，可分别采用屏蔽室、屏蔽盒、屏蔽管等完整的屏蔽体或金属网编织带、波导管及蜂窝结构等的非完整屏蔽体屏蔽。

3）均压（等电位）

均压又称等电位连接。等电位连接就是把导体做良好的导电性连接，使它们近似达到电位相等，为雷电流提供低阻抗的连续通道，以便使它迅速导入大地泄流。

对建筑物外的被保护区域内的金属装置要做等电位连接。当避雷针接闪时，如果邻近的电气设备等与引下体之间的绝缘距离不够，就会在最近距离处发生反击。为有效防止反击，必须保证引下体与金属物之间保持最小安全距离。由于条件限制无法达到所规定的间距时，都应把引下体与金属构件在室外与接地网等电位连接。对于建筑物内部，由于建筑物开有门、窗等孔洞，电磁辐射仍要侵入保护区内，雷电感应电压将破坏建筑物内部的电气和电子设备。当雷电放电时，电磁辐射将在附近导体回路上产生很高的感应电压，此电压在导体开环处将引起空气击穿放电。因此，必须对所有金属构件做等电位连接，以消除在建筑物内发生的反击隐患。纵横交错的各种信号传输线、发射天线、接收天线及其馈线等，极易因遭受雷电放电的感应作用形成感应过电压波，造成电气设备，特别是微电子设备的损坏。一般的屏蔽措施无法消除雷电过电压的侵害，必须采取防护措施，将过电压限制在安全的、设备能够承受的范围之内。电力和通信部门都采取避雷器来限制雷电过电压波，将雷电流分流入地。

4）接地

接地是分流和泄放直接雷击和雷电电磁脉冲能量的最有效的手段。没有接地装置或者接地不良的避雷设施，很可能对落雷点附近的电气和电子设备造成电感性、电容性等干扰耦合。因此，防雷接地的目的就是把雷电流通过低电阻的接地体向大地泄放，以保护建筑物、人员和设备的安全。（1）电气地和逻辑地。

电力、电气设备的接地装置包括避雷接地、电气安全接地、交流电流工作接地、通信及计算机系统中的逻辑接地等。

电气地：大地的电阻非常低，电容量非常大，具有吸收无限电荷仍保持电位不变的能力，适合作为电气系统中的参考电位体。

地电位：实验证明，在距单根接地极或距一组接地极20m外的地方，几乎已没有电阻存在，电位等于零的电气地称为地电位。逻辑地：电子设备中各级电路电流的传输、信号或极性的转换要求有一个参考电位，用以防止外界电磁干扰信号的侵入，常称这个电位为逻辑地，它可以是电子设备的金属机壳、底座、印制电路板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地干线等。逻辑地可与大地接触，也可以不接触，而电气地必须与大地接触。

接地的作用主要是防止人身遭受电击，设备和线路遭受破坏，预防火灾和防止雷击，防止静电损害，保障电力系统正常运行，保证电子设备正常工作。（2）保护接地和功能接地。

按接地的作用分类，接地可分为保护性接地和功能性接地两种。

保护性接地包括防电击接地、防雷接地和防静电接地。防电击接地是为了防止电气设备的绝缘被损坏而导致击穿或产生漏电流，将设备的外露导电部分接地，也称为保护接地。防雷接地是为了防止直击雷、雷电感应、静电感应、电磁感应的雷电波侵入，用金属导线（体）与埋在土壤中或混凝土基础中的散流接地网连接的接地。防静电接地是将静电荷引入大地，防止由于静电积累对人体和设备造成危害的接地。功能性接地包括工作接地、直流接地、屏蔽接地、信号接地。工作接地是系统运行中为了防止系统振荡和保证可靠运行的接地。直流接地是为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为逻辑地的接地。屏蔽接地是将电磁干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备影响的接地。信号接地是为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地。（3）独立接地和共享接地。

接地形式包括独立接地和共享接地。独立接地是将需要接地的系统均分别独立地建立接地网，其优点是各个系统之间不存在相互干扰，但特别容易被雷击，因为各独立地之间的瞬间电位差过大。独立接地已不适应现代通信技术的需要，已逐渐被共享接地方式所取代。

通常所说的接地实际上就是指设备一点接地，是利用大地作为电位基准。一点接地可以解决雷电流引起的不同接地点之间的很大电位差，还可消除公共（地）阻抗的耦合，对于干扰频率小于1MHz频段是有效的。当电磁脉冲干扰或信号干扰的频率增加时，一点接地存在分布电感、电阻和电容，接地的引线长度成为主要矛盾，必须采用最短的引线直接接至地面，使接地阻抗减至最小，形成多点接地方式。

但多点接地对低频干扰是不利的，此时可以采用混合接地方式，即一台电子设备内的各种电路板，以最短导线与机壳连接，或者对干扰信号敏感的设备以最短的导线与同一金属体连接，然后该金属体与其他设备再分别用金属导线接到地网的同一点上。另一种有效的接地方式是采用环形接地网，把接地体沿建筑物周围形成一个闭合环，这个接地网可以使得界面内的电场分布均匀，减少跨步电压对人的危害，减少室内在雷击时由于地面梯度大而产生对设备高压反击的危险。

3.3电子设备的静电防护技术

3.3.1静电的产生

1.静电产生的机理

对于静电产生的机理有多种解释，其中主要包括双电层和接触电位差、静电感应等。

1）双电层和接触电位差

当两种不同物质发生摩擦时会出现带电现象，即产生了静电。但摩擦不是产生静电的唯一原因，两种物质紧密接触后再分离、物质受压或受热、物质发生电解以及当物质受到其他带电体的感应等，均可能产生静电。当物质的正电荷与负电荷达到平衡时，没有带电；当电荷发生转移时，正负电荷出现了不平衡，物质便成为带电体。

当两种物质相接触时，由于某物质的原子外层电子所处能级不同，会发生电子的转移，在接触面的两面会出现电荷量相等但电性不同的电荷，在界面上形成了两层电荷，即双电层，其间的电位差，就是接触电位差。只有当两种物质紧密接触的间距小于2.5×10-8cm时，才会出现双电层和接触电位差。按照两个物质接触后的双电层的解释，双电层两边电荷的极性，把带正电的物质排在前面，带负电的排在后面，各种物质可以排列起来，称为静电序列或静电起电序列。如果纯度、环境条件、接触的压力、摩擦和分离的速度、发生摩擦时的接触面积不同，产生静电的结果也不完全一致；即使同一种材料，将其两片摩擦后分离，同样可以产生静电。

2）静电感应

导体在静电场中，不带电的导体在其表面不同部位可以感应出不同的电荷，或者可以使原有的电荷重新分布，称为静电感应。静电感应的强弱与电场的强弱及变化速度、被感应导体的大小以及位置等因素有关。

2.静电的产生方式

1）摩擦起电

两种物质接触、分离或摩擦，从而产生静态电荷的过程称为摩擦起电。摩擦使接触良好的表面产生了更多的电荷，增加了电荷的转移。分离只是缩短电荷流动的时间。

静电通常是出现在物体的表面，而不是出现在物体的内部，因此，绝缘体中的电荷仅保持在产生静电的那些区域，而不会出现在整个表面。当绝缘体接地时，只有接地点区域的电荷会消失，而充电导体接地便会失去自身电荷。

2）感应起电

静电场中的导体在静电场的作用下，表面不同部位感应出不同电荷，或导体原有电荷重新分布的现象称为感应起电。按此现象，可以使不带电的导体感应起电，变成带电的导体。

由于静电感应和感应起电，可能在导体或电子设备上产生很高的电压，可能会导致出现火花放电的危害性。

3.静电的屏蔽性

任意形状的空腔导体放入静电场时，在达到静电平衡后，空腔导体内的电场强度为零，这种现象称为静电屏蔽。或者，如果空腔导体内有电场，导体外表面不接地，由于静电感应，导体外部有电场；导体外表面接地，外表面感应电荷因接地中和，电场只存在于导体空腔之内，不能到达导体外部。3.3.2静电的危害

1.引起爆炸和火灾

在带有静电的物体附近，若产生超过物体允许的击穿场强，则会发生静电放电（ESD）。静电放电可引发爆炸和火灾。

发生火灾的基本条件是：在工艺过程中产生并积累足够多的静电，以致局部电场强度超过电介质的击穿场强，发生静电放电，产生火花；若现场有爆炸性混合物，且其浓度在该混合物爆炸极限之内；静电火花有一定大小，火花能量超过爆炸性混合物的最小引燃能量。当这些发生爆炸和火灾的基本条件得到满足时，就可能引起爆炸和火灾。

2.对人体造成伤害

当人体带电与接地导体之间发生放电，或带电体与人体之间发生放电时，放电电量达到一定数值，人就有被电击的感觉。当静电电压为3kV左右时，人体就有明显的电击感。静电电击是由于带静电的人体发生放电，电流从人体流向地，或是带电体向人体发生放电时电流流动产生的。静电电击不是电流持续通过人体的电击，是静电放电造成的瞬间冲击的电击，电击的严重程度决定于电流大小、通过时间和时刻、通电途径以及人体特征、人体健康状况和人体精神状况等诸多因素。

通过人体静电放电的能量在一定程度上取决于人体电容的大小，而人体电容与人体位置、人体姿势、所穿的鞋、地面等情况有关。静电电击将对人体造成不同程度的伤害。

3.对生产的影响

在某些生产过程中，如不消除静电，将会妨碍生产或降低产品质量，尤其是半导体器件和集成电路生产行业。静电放电引起的失效，可造成集成电路的大量损坏，有些可能造成集成电路的软击穿，用于电子设备中时将影响到电子设备的工作稳定性，影响生产和产品质量，甚至影响到生产厂家的声誉。

由于静电的作用，人体、服装极易吸附尘埃，尘埃被带到操作现场将影响成品率，使产品质量下降。因此，集成电路生产车间的操作工人都必须穿上洁净的工作服。

4.对电子产品的影响

静电放电会使电子线路失效，也会引起间断失效或翻转失效。翻转失效可能是靠近设备的静电放电火花引起的。静电放电火花产生的电磁脉冲被仪器设备接收，将导致错误翻转。静电放电通过电容或电感耦合，或通过某一信号通道直接放电，产生的干扰也会出现翻转。如果设备在运行过程中出现翻转失效，也会随时发生致命失效。某些致命的静电放电失效在静电放电作用后某一段时间内，可能不会立刻出现，称为潜在失效。这是由于有某种程度损坏的静电放电敏感（ESDS）的器件，受工作应力和时间的影响将进一步引起性能降低，直至失效。某种类型的器件对这种潜在失效敏感，有些类型的器件则易被误认为翻转失效。由静电放电引起的损害将是一种潜在的故障，可能会降低设备或器件的工作寿命。

对静电放电翻转的敏感器件通常是一些逻辑电路系列，如NMOS、PMOS、CMOS和小功率TTL器件等。3.3.3静电的测量

静电测量大致包括三个方面内容，即静电特性、器件静电放电敏感度以及电子设备静电放电敏感度的测量。静电特性包括静电电量、静电电压、静电电荷密度、静电电流、静电放电量和静电放电时间常数等。

1.电子元器件静电放电敏感度测量

军工企业大部分引用国家军用标准GB548A—1996《微电子器件试验方法和程序》中的方法3015—《静电放电敏感度的分类》，该方法给出了器件的静电放电敏感度的三个等级、试验波形和试验原理图。（1）试验时，至少应对一个试验样品确定器件的静电放电失效阈值。为得到精确的失效电压值，可以自行确定采用更精细的电压值，试验可从任何一个电压开始。但是对于有恢复效应的器件，包括有火花隙保护的器件，应从最低的试验电压开始，采用已有技术对输入或输出V/I损伤特性进行检测试验（即采用图示仪），或用其他简单的试验验证技术来确认失效值。

（2）选用一个新样品，使其受到较低的电压作用。

（3）器件样品应按要求进行电测试（室温直流参数和功能试验）。

（4）如果有一个或多个器件失效，应该用较低的电压重复上述的两个步骤。

（5）如果没有一个器件失效，则记录上述第一步骤确定的失效阈值，记录通过的最高的电压。

2.电子设备静电放电敏感度试验

对于小型电子产品，可采用间接（也称非接触法）或直接（也称接触法）静电放电的试验方法。试验时，把受试设备放在绝缘工作台上，用0.5mm厚的绝缘垫，将受试产品及其电缆与水平耦合平板隔离。受试设备的安装脚座应保持在产品技术要求的规定位置上。

对于大型产品，用0.1m厚的绝缘底座将受试设备及电缆与接地平板隔离。受试设备的安装脚座应保持在产品技术要求的规定位置上。

3.静电放电的实现方法

1）直接放电的实现

直接放电试验点应选择在产品正常使用期间（包括用户的维护）人员所接触的产品的表面和点上。试验应从最小值逐渐增加到所选择的试验电压，以便确定任一静电放电敏感度等级的失效阈值，最终试验电压不应超过产品技术条件的规定值。

试验采用单次放电方式进行，在选定的试验点上施加不少于10次单次放电（在最敏感的极性上）；连续单次放电的间隔时间推荐用1s作为初始值，必要的较长时间间隔，由产品或系统是否出现故障确定。静电放电发生器的放电电极端头，应与施加放电的表面保持垂直，以提高试验效果的再现性。接触放电时，放电开关开启前，静电放电发生器的放电电极端头应先与受试设备接触。当受试设备表面为油漆涂层覆盖导电体时，一般涂层应用静电放电电极尖端穿透涂层，接触到导电体后放电，若涂层用作绝缘时，应采用空气放电方式，不允许接触放电。

除非生产方与使用方达成协议，不允许为了维修目的对受试设备任一点施加放电。

2）间接放电的实现

在水平与垂直方向进行间接静电放电试验时，电极均与受试设备相距0.1m，垂直静电放电可通过一块0.5m×0.5m的金属板向受试设备放电，放电不少于10次，其他与直接放电相同。空气放电时，静电放电发生器圆形放电电极端头应尽快接近（不引起机械损伤）受试产品，每次放电后放电电极应从受试产品处移开，然后再次接近，触发一个新的单次放电，重复这个过程直至完成规定的放电次数。空气放电试验期间，放电开关应处于接通状态。3.3.4静电放电的防护

电子设备生产、研制时，应根据电子元器件的静电放电敏感度的情况，进行适当防护。对电子元器件进行静电防护的基本思想是，在可能产生静电的地方阻止静电的积累或迅速可靠地泄放已存在的电荷。

对电子仪器或设备进行静电防护的措施，主要是通过两条途径来进行：设计难以引起误动作以及元器件难以击穿的逻辑回路，同时在仪器或设备的组装上加以必要的考虑；从运用的方面，将仪器或设备置于难以发生静电的场所或者难以受到静电影响的场所。

1.防护措施

1）基本要求

静电效电的防护措的基本要求包括防止静电的产生；防止静电场，在可能产生静电的地方阻止静电的积累，迅速、可靠而又有控制地泄放已存在的电荷，要求静电电位泄放至100V以下的时间小于1s；防止由带电的人或带电的物体接触而引起的直接放电；绝缘体上静电采用中和法；为保证静电放电操作人员安全，整个防护系统的泄漏电流不允许超过5mA；运动或感应带电的设备，其导电部分必须接地，不包括安装时的接地（如设备埋设在地下或安装在接地桩上）；利用工具操作或修理有带静电危险的设备时，工具应接地；由于润滑油是绝缘体，所以旋转部分必须接地，必要时应采用接触电刷或导电润滑剂以保证接地；在管道、设备的法兰盘之间连接时，至少有两个良导体的螺栓保证电传导性，否则应有专用的分路跨接线。

2）管理措施

操作人员应经静电知识培训，考试合格后持证上岗，应穿戴防静电工作服、防静电鞋，并戴好防静电腕带；在元器件的包装盒上和组装车间应有明确的防静电放电的标志，有关部门应制定静电放电敏感器件的操作规则；应设置防静电工作区，并应有明显的标志。

3）静电防护材料的主要性能

静电防护材料的主要性能包括：防止与带电的人体或带电的物体接触引起直接放电；防止摩擦起电的产生；防止静电场。用于静电防护的材料，按其表面电阻率分为三类，即导电型、导静电型和耗散型。

4）防静电工作环境

防静电操作系统由工作台、限流电阻与台垫等组成。台垫的材料必须用静电防护材料组成，不得用绝缘材料，台垫接限流电阻至地（软接地）。计算机和通信机房等大多使用防静电地板，防静电地板应符合相关标准要求，并可靠接地。

5）湿度的考虑

湿度对静电的积累和消散影响很大，湿度较低时，静电电位高；湿度较高时，静电电位低，这主要是因为湿度较高时，绝缘材料表面吸附了水分子（有时还有导电杂质）而降低了绝缘，便于静电泄漏。不同物质受湿度的影响不同，吸湿性大的物质，容易被水分润湿，受湿度影响较大；吸湿性小的物质，受湿度影响也小。

当湿度增高时，空气中离子的浓度有所增加，也能促进静电的中和与消散。从消除静电危害的角度考虑，保持相对湿度在70%以上较为合适。如果相对湿度低于30%，产生的静电放电是比较强烈的。

空气的相对湿度在很大程度上受到温度的影响。当绝对湿度不变时，相对湿度随温度升高而降低。

6）采用静电消除器

可以采用静电消除器消除静电干扰。静电消除器包括感应式静电消除器、高